电致变形聚合物IPMC的增材制备及性能优化研究

Ionic polymer metal composite (IPMC), a flexible electro-active polymer, is expected to change the current actuation technology, having a great application potential in astronautics. On the basis of actuation mechamism of IPMC, this project aims at flexible capture in space orbit, developing the manufacture process of 3 dimension (3D) complex structural IPMC with patterned electrode by fused deposition printing technology. The mechanism and method of improving the actuation properties of IPMC are investigated by adopting ionic liquid as electrolyte and carbon nano-fiber reinforced hybrid electrode. The novel IPMC is used as flexible capture to explore the application of spatial domain. By the fabrication of distributed and flexible actuation material and the design of extended capture mechanism based on IPMC, the flexibility of orbit capture can be improved, playing a significant role in capture of noncooperative target, clean of space debris, recovery and reuse of failure satellite and so on.

IPMC(Ionic polymer metal composites，离子聚合物金属复合材料) 是一种柔性电活性高分子材料，有望改变驱动技术的现状，在航天领域具有潜在的巨大应用前景。本项目以航天在轨柔性捕获技术为牵引，基于IPMC人工肌肉材料的驱动机理，结合熔融沉积打印技术，发展三维复杂结构图案化电极分布的IPMC驱动材料，研究其制备方法和工艺。通过离子液改性工作介质和碳纳米纤维增强复合电极的方法，研究提高IPMC人工肌肉驱动性能的机理和方法。将研制的新型IPMC驱动材料用于柔性抓捕驱动，进行空间领域的应用探索。通过基于IPMC分布式柔性驱动功能材料的制备和伸展抓捕机构的设计，有望提高在轨捕获的灵活性，对实现针对空间非合作目标的捕获、空间碎片的清理、失效卫星的回收利用等方面的应用具有重要意义。

IPMC(Ionic polymer metal composites，离子聚合物金属复合材料) 是一种柔性电活性高分子材料，有望改变驱动技术的现状，在航天领域具有潜在的巨大应用前景。本项目以航天在轨柔性捕获技术为牵引，研究熔融沉积打印IPMC驱动材料的方法及应用。基于IPMC材料的驱动机理，利用熔融沉积技术成功实现了Nafion基膜的逐层打印，获得3D打印制备IPMC的方法和工艺。同时通过梯度设计、离子液改性工作介质、碳纳米管增强复合电极、铜离子迁移、碳纳米笼掺杂的方法，提高了IPMC人工肌肉的驱动性能。在方波3.5 V，0.1 Hz时，熔融沉积打印IPMC的输出力和位移分别达到10 mN和7.5 mm，与常规IPMC性能相近，但制备方法更简单。建立了将梯度结构IPMC划分为多段等厚度平面型IPMC建模的方法，当梯度结构IPMC的平均厚度恒定为0.33 mm时，梯度结构IPMC的输出力和输出位移受梯度的影响较大，即当厚端与薄端的厚度差为0.11 mm时的性能最优。离子液基多孔IPMC的输出位移在驱动5 h后仍保持稳定的输出效果。将研制的新型IPMC驱动材料用于结构与驱动一体化柔性指状抓捕驱动，设计了柔性抓捕机构，成功设计和研制出针对IPMC柔性材料的综合测控平台，实现了抓捕机构的两指、三指和五指单独控制，有效提升了抓捕机构抓取物体的多样性，并通过抓取实验验证了IPMC柔性捕获的可行性。为IPMC柔性驱动在航天在轨服务领域的应用奠定基础。